一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料
阅读：335发布：2023-02-16
专利汇可以提供一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了属于 电子 材料制造技术领域的一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料。是基于Ba－B－Si－Ti体系的玻璃陶瓷材料，通过添加调节剂，将材料的 烧结 温度 降低到950℃以下，并获得了 介电常数 在4－50(1GHz)之间，介质损耗系数在0.01以下的玻璃陶瓷组合材料。该组合材料按各组分重量比组成如下：BaO：10－30wt％，TiO2：20－60wt％，B2O3：6－10wt％，SiO2：5－50wt％和调节剂2－15wt％。该材料适用于多层电子部件的制造，如 微波 谐振器 、 滤波器 、片式电感、电容等。，下面是一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料专利的具体信息内容。
1.一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料，其特征在于：其各组分按重量比组成 如下：
BaO：10-30wt％，
TiO2：20-60wt％，
B2O3：6-10wt％，
SiO2：5-50wt％；
调节剂2-15wt％。
2.根据权利要求1所述低温共烧的玻璃陶瓷组合材料，其特征在于：所述调 节剂包括MnO2、ZrO2、TeO2、CeO2、CuO、ZnO、P2O5、Nb2O5、V2O5、La2O3、Sb2O3或 As2O3中的一种或两种以上。
技术领域
本发明属于电子材料制造技术领域。特别涉及一种低温共烧的玻璃陶瓷组合 材料。
背景技术
近年来，信息技术的发展要求高速数据和高电流密度传输，电子线路日益向 微型化、集成化和高频化的方向发展。这就对电子元件提出了尺寸微小、高频、 高可靠性、价格低廉和高集成度的要求。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic)是于1982年由休斯 公司开发的新型材料，它采用厚膜技术，根据预先设计的结构，将电极材料、基 板、电子器件等一次性烧成。它是用于实现高集成度、高性能电子封装的技术。 LTCC普遍应用于多层芯片线路模块化设计中。它除了在成本和集成封装方面的优 势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等 方面都显现出诱人的魅力。
根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可在很大的范围内变化，增加了线路 设计的灵活性。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计；相 对介电常数为6～80的基板可很好地完成高频线路的设计；而高达20000相对介 电常数的基板，则可以使容性器件集成到多层结构中。无源器件的高度集成，减 少了表面安装元件的数量，提高了布线密度；减少了引线连接与焊点的数目，提 高了线路的可靠性。
LTCC材料对微波电路性能起关键作用的介电特性是介质损耗、介电常数、绝 缘电阻和介质强度。对于发射和接收信号来说低损耗是需要的，而低介电常数对 高速信号处理很重要。同时，高绝缘电阻和介质强度也是所要求的。这些特性是 化学成分、工艺和与导电材料相互作用的函数。
目前使用的低温烧结低介电常数陶瓷材料可分为三大类：微晶玻璃系；玻璃 加陶瓷填充料的复合系、非晶玻璃系。近年来人们把研究的重点放在玻璃加陶瓷 填充料的复合系及微晶玻璃上，发展了很多低烧结温度、低介电常数体系。
玻璃加陶瓷体系一般是由硼和硅构成的玻璃网状组织，这些玻璃的构成物加 上单价或双价碱性的难以还原的氧化物类元素可以重建玻璃的网状组织。由于采 用由玻璃态转结晶态的介质，在陶瓷烧制过程中，银、铜等导体与介质的相互影 响大大减轻；因此开发可在低于银、铜等低熔点温度下烧制的由玻璃态转结晶态 的混合物，这是低温共烧陶瓷的基本特征。另外由于烧制的玻璃陶瓷组织具有无 多孔相联的结构，避免了银等导体渗入玻璃陶瓷组织。
许多LTCC是基于硼硅酸盐玻璃基础上的制备的，这些LTCC的介电常数一般 较低；而基于钛酸钡陶瓷的固熔体却具有较高的烧结温度和介电常数。如果将硼 硅酸盐玻璃和钛酸钡基陶瓷组合，通过添加合适的调节剂，可以获得介电性能良 好、烧结温度较低的玻璃陶瓷组合材料；这是本发明的指导思路之一。通常，多 层陶瓷电子部件含有多种基片材料，这些材料不仅介电常数高低不同，而且物理、 化学相容性也相差较大，因此在烧结过程中由于材料之间热膨胀系数不同造成脱 层、变形等。但如果采用同一体系为主的材料，只是由于组成比例不同而造成介 电性能不同，这些材料体系之间的物理、化学相容性好，因此叠层共烧后可以结 合的很好，从根本上消除了异质材料共烧不匹配的问题。本发明就是在上述两个 思路的指导下产生的。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic)是于1982年由休斯 公司开发的新型材料，它采用厚膜技术，根据预先设计的结构，将电极材料、基 板、电子器件等一次性烧成。它是用于实现高集成度、高性能电子封装的技术。 LTCC普遍应用于多层芯片线路模块化设计中。它除了在成本和集成封装方面的优 势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等 方面都显现出诱人的魅力。
根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可在很大的范围内变化，增加了线路 设计的灵活性。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计；相 对介电常数为6～80的基板可很好地完成高频线路的设计；而高达20000相对介 电常数的基板，则可以使容性器件集成到多层结构中。无源器件的高度集成，减 少了表面安装元件的数量，提高了布线密度；减少了引线连接与焊点的数目，提 高了线路的可靠性。
LTCC材料对微波电路性能起关键作用的介电特性是介质损耗、介电常数、绝 缘电阻和介质强度。对于发射和接收信号来说低损耗是需要的，而低介电常数对 高速信号处理很重要。同时，高绝缘电阻和介质强度也是所要求的。这些特性是 化学成分、工艺和与导电材料相互作用的函数。
目前使用的低温烧结低介电常数陶瓷材料可分为三大类：微晶玻璃系；玻璃 加陶瓷填充料的复合系、非晶玻璃系。近年来人们把研究的重点放在玻璃加陶瓷 填充料的复合系及微晶玻璃上，发展了很多低烧结温度、低介电常数体系。
玻璃加陶瓷体系一般是由硼和硅构成的玻璃网状组织，这些玻璃的构成物加 上单价或双价碱性的难以还原的氧化物类元素可以重建玻璃的网状组织。由于采 用由玻璃态转结晶态的介质，在陶瓷烧制过程中，银、铜等导体与介质的相互影 响大大减轻；因此开发可在低于银、铜等低熔点温度下烧制的由玻璃态转结晶态 的混合物，这是低温共烧陶瓷的基本特征。另外由于烧制的玻璃陶瓷组织具有无 多孔相联的结构，避免了银等导体渗入玻璃陶瓷组织。
许多LTCC是基于硼硅酸盐玻璃基础上的制备的，这些LTCC的介电常数一般 较低；而基于钛酸钡陶瓷的固熔体却具有较高的烧结温度和介电常数。如果将硼 硅酸盐玻璃和钛酸钡基陶瓷组合，通过添加合适的调节剂，可以获得介电性能良 好、烧结温度较低的玻璃陶瓷组合材料；这是本发明的指导思路之一。通常，多 层陶瓷电子部件含有多种基片材料，这些材料不仅介电常数高低不同，而且物理、 化学相容性也相差较大，因此在烧结过程中由于材料之间热膨胀系数不同造成脱 层、变形等。但如果采用同一体系为主的材料，只是由于组成比例不同而造成介 电性能不同，这些材料体系之间的物理、化学相容性好，因此叠层共烧后可以结 合的很好，从根本上消除了异质材料共烧不匹配的问题。本发明就是在上述两个 思路的指导下产生的。
发明内容
本发明的目的是提供基于Ba-B一Si-Ti体系的玻璃陶瓷材料，通过添加 调节剂，将材料的烧结温度降低到950℃以下，并获得了介电常数在4-50(1GHz) 之问，介质损耗系数在0.01以下的一种低温共烧的玻璃陶瓷组合材料，其特征 在于：其各组分按重量比组成如下：
BaO： 10-30wt％，
TiO2： 20-60wt％，
B2O3：6-10wt％，
SiO2： 5-50wt％；
调节剂2-15wt％。
所述调节剂包括MnO2、ZrO2、TeO2、CeO2、CuO、ZnO、P2O5、Nb2O5、V2O5、La2O3、 Sb2O3或As2O3中的一种或两种以上。
本发明的有益效果是提供的低温共烧陶瓷，具有以下优点：
(1)烧结温度低，根据组成配比的不同，烧结温度在750-950℃之间，烧 结气氛为氧化气氛，压力条件为常压；
(2)介电常数在4-50(1GHz)之间可以调节，介质损耗系数在0.01以下； 玻璃陶瓷组合材料的介电常数、热膨胀系数等可以通过添加调节剂或者调整组成 的方法改变，在满足介电性能的基础上，使不同组成材料的热膨胀系数尽量接近， 达到一次性烧成的目的；
(3)制备工艺简单、成本低、没有毒副作用，不需要预先烧制、熔融，直 接球磨混料后即可应用。
(4)可以用来制备应用于高频电路、可集成化的陶瓷基板、谐振器、滤波 器、片式电感、电容等电子器件及电子封装材料等。
BaO： 10-30wt％，
TiO2： 20-60wt％，
B2O3：6-10wt％，
SiO2： 5-50wt％；
调节剂2-15wt％。
所述调节剂包括MnO2、ZrO2、TeO2、CeO2、CuO、ZnO、P2O5、Nb2O5、V2O5、La2O3、 Sb2O3或As2O3中的一种或两种以上。
本发明的有益效果是提供的低温共烧陶瓷，具有以下优点：
(1)烧结温度低，根据组成配比的不同，烧结温度在750-950℃之间，烧 结气氛为氧化气氛，压力条件为常压；
(2)介电常数在4-50(1GHz)之间可以调节，介质损耗系数在0.01以下； 玻璃陶瓷组合材料的介电常数、热膨胀系数等可以通过添加调节剂或者调整组成 的方法改变，在满足介电性能的基础上，使不同组成材料的热膨胀系数尽量接近， 达到一次性烧成的目的；
(3)制备工艺简单、成本低、没有毒副作用，不需要预先烧制、熔融，直 接球磨混料后即可应用。
(4)可以用来制备应用于高频电路、可集成化的陶瓷基板、谐振器、滤波 器、片式电感、电容等电子器件及电子封装材料等。
具体实施方式
本发明提供了基于Ba-B一Si-Ti体系的玻璃陶瓷材料，通过添加调节剂， 将材料的烧结温度降低到950℃以下，并获得了介电常数在4-50(1GHz)之间， 介质损耗系数在0.01以下的玻璃陶瓷组合材料，其特征在于：其按各组分重量 比组成如下：
BaO： 10-30wt％，
TiO2： 20-60wt％，
B2O3：6-10wt％，
SiO2： 5-50wt％；
调节剂2-15wt％。
仅举以下几个实施实例对本发明予以进一步说明。
实施实例1：按重量比各组分如下：
BaO： 28wt％，
TiO2： 20wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 42wt％；
调节剂MnO2： 2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为为5，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.003。
实施实例2：按重量比各组分如下：
BaO： 30wt％，
TiO2： 25wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 30wt％；
调节剂La2O3：5wt％；ZrO2：2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为11.0，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.003。
实施实例3：按重量比各组分如下：
BaO： 10wt％，
TiO2： 60wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 5wt％；
调节剂Sb2O3：2wt％；TeO2：13wt％；MnO2：2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为50.0，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.004。
实施实例4：将实施实例1和2中的组合材料分别制备成流延片，成膜后印 刷电极，在适当条件下叠层并切割，然后在900℃、氧化气氛下烧成，保温3小 时后即可得到多层器件。因为实例1和实例2中的材料成分基本相同，只是组成 配比不同，通过添加热膨胀系数调节剂La2O3，使二者的热膨胀系数接近，烧结收 缩趋于一致，不会造成界面处脱层，能形成完整的共烧体。
BaO： 10-30wt％，
TiO2： 20-60wt％，
B2O3：6-10wt％，
SiO2： 5-50wt％；
调节剂2-15wt％。
仅举以下几个实施实例对本发明予以进一步说明。
实施实例1：按重量比各组分如下：
BaO： 28wt％，
TiO2： 20wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 42wt％；
调节剂MnO2： 2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为为5，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.003。
实施实例2：按重量比各组分如下：
BaO： 30wt％，
TiO2： 25wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 30wt％；
调节剂La2O3：5wt％；ZrO2：2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为11.0，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.003。
实施实例3：按重量比各组分如下：
BaO： 10wt％，
TiO2： 60wt％，
B2O3：8wt％，
SiO2： 5wt％；
调节剂Sb2O3：2wt％；TeO2：13wt％；MnO2：2wt％
将上述混合料置于球磨罐中，加入乙醇(约为混合料总重量的1.5-2.5倍)， 球磨12-24小时后在烘箱中烘干，研磨过筛；将所得的粉体加入适量粘结剂造 粒，并经干压和冷等静压成型制成坯片，在900℃、氧化气氛下烧成，保温时间 为3小时即可；将烧结后的瓷片被银、烧银后可进行电性能测试和用于制备陶瓷 电感或电容器等。通过对电性能的测试，该组成瓷料的性能达到如下指标：
介电常数(1GHz)εr为50.0，介质损耗系数tgδ(1GHz)为0.004。
实施实例4：将实施实例1和2中的组合材料分别制备成流延片，成膜后印 刷电极，在适当条件下叠层并切割，然后在900℃、氧化气氛下烧成，保温3小 时后即可得到多层器件。因为实例1和实例2中的材料成分基本相同，只是组成 配比不同，通过添加热膨胀系数调节剂La2O3，使二者的热膨胀系数接近，烧结收 缩趋于一致，不会造成界面处脱层，能形成完整的共烧体。
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